Primeras mediciones de isótopos en la atmósfera de un exoplaneta

Un equipo internacional de astrónomos se ha convertido en el primero del mundo en detectar isótopos de carbono, diferentes formas de C, en la atmósfera de un exoplaneta gigante gaseoso, en dirección de la constelación de Musca (La Mosca). Los astrónomos plantean la hipótesis de que las proporciones observadas se deben a la zona donde se formó el planeta con respecto a su estrella madre.

Los isótopos son formas diferentes del mismo átomo pero con un número variable de neutrones en el núcleo. Por ejemplo, el carbono con seis protones normalmente tiene seis neutrones (carbono-12), pero ocasionalmente tiene siete neutrones (carbono-13) u ocho (carbono-14).

Esta característica no cambia mucho las propiedades químicas del carbono. Aún así, los isótopos se forman de diferentes maneras y, a menudo, reaccionan de manera ligeramente diferente dependiendo de las condiciones predominantes. En ciencia, los isótopos nos brindan aplicaciones en una amplia gama de campos de investigación: desde la detección de enfermedades cardiovasculares o el cáncer, hasta el estudio del cambio climático y la determinación de la edad de los fósiles y las rocas.

En astrofísica, la información que nos brindan los isótopos no es menor y se extiende a áreas como ciencias planetarias, evolución del Sistema Solar, la química interestelar y la nucleosíntesis estelar, esta última estudia la generación de elementos químicos al interior de las estrellas mediante reacciones de fusión nuclear.

El caso del Carbono

Una de las proporciones más usadas y conocidas de isótopos la conforman el hidrógeno y el deuterio. Como todos recordarán de sus clases de química en secundaria, un átomo de hidrógeno está formado por un protón en el núcleo y un electrón orbitando. Sencillo. El deuterio se parece al hidrógeno, sólo que tiene un neutrón pegado al protón, que lo hace más pesado y ligeramente diferente en términos químicos que su primo.

Bueno, arriba lo dijimos, el carbono “normal” tiene 6 protones y 6 neutrones, le llamamos carbono-12 (12C), pero su isótopo más cercano tiene 6 protones y 7 neutrones, es el llamado carbono-13 (13C), etcétera.

En el Sistema Solar las proporciones o razones de 12C/13C se mantienen más o menos constantes en 89, pero en indiferentes lugares de la galaxia la tasa ronda los 68, como en el polvo y gas interestelares. En las regiones de formación estelar, particularmente en los discos protoplanetarios, los discos donde se forman los planetas, las proporciones de 12C a 13C pueden variar por la formación de hielos de estos materiales, reacciones químicas de algún tipo que mueven sus proporciones y la misma radiación de las estrellas en el centro de los discos.

Así, las cantidades de los isótopos de carbono ayudan a los astrónomos a discernir entre diversos escenarios de formación estelar y planetaria.

Pero el trabajo presentado hoy es aún más especial porque se trata, por un lado, de la detección de monóxido de carbono (CO) directamente en un exoplaneta, y además, la proporción entre los isótopos ha sido interpretada como una muestra de dónde se formó el objeto.

Animación del exoplaneta TYC8998-761-1-b. Crédito: NASA

El origen de un gigante

El planeta en cuestión se llama TYC8998-761-1 b, un cuerpo con una masa de aproximadamente 14 veces la de Júpiter y que tiene casi el doble del tamaño de este. Por tanto, los astrónomos lo clasifican como un super-Júpiter. Todo el sistema planetario se encuentra a unos 309 años luz y fue recientemente descubierto por parte del equipo científico actual.

Gracias a la gran separación entre el planeta y su estrella, se pudo apuntar uno de los Telescopios VLT en Chile para analizar la luz reflejada y observar mediante un espectroscopio las moléculas presentes en la atmósfera del exoplaneta.

Así, los astrónomos descubrieron una relación inusual entre los isótopos de 12CO y13CO en el gigante TYC 8998-760-1 b.

Los investigadores esperaban detectar que aproximadamente uno de cada 70 átomos de carbono fueran de carbono-13, pero parece ser el doble para este exoplaneta.

Imagen directa del sistema planetario TYC 8998-760-1 tomada en febrero de 2020 con los telescopios VLT. En la imagen se observan los exoplanetas. Crédito: ESO / Bohn et al.

TYC 8998-760-1 b es tan joven que aún está acretando material del disco donde se encuentra, por lo tanto, su ambiente es bastante diferente al de los planetas aquí, en el Sistema Solar. Los científicos proponen que este exoplaneta se formó bastante lejos de su estrella, donde el CO estaría en su mayoría congelado. Dado que los hielos de monóxido de carbono son ricos en 13C , esto explicaría las observaciones.

Paul Mollière, del Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA), en Heidelberg, Alemania y parte del grupo científico lo explica así: “El planeta está más de 150 veces más lejos de su estrella madre, que nosotros del Sol. A una distancia tan grande, es posible que se hayan formado hielos con más carbono-13, lo que ha provocado la mayor fracción de este isótopo en la atmósfera del planeta en la actualidad”.

Como comparación, esto podría significar que los planetas del Sistema Solar no recolectaron mucho hielo rico en carbono-13. Una razón puede ser que en el Sistema Solar, la distancia más allá de la cual el CO comienza a congelarse desde la fase gaseosa, conocida como la línea de nieve del CO, se encuentra más allá de la órbita de Neptuno. Por lo tanto, es probable que los hielos de CO, con mayor proporción de 13C, rara vez se hayan incorporado a los planetas del Sistema Solar, lo que lleva a una tasa de isótopos más alta.

Los análisis que reportan los astrónomos muestran que la proporción 12C/13C es muy cercana a 31 en TYC 8998-760-1 b, lo que habla de un enriquecimiento significativo de carbono-13 en comparación con lo encontrado en la Tierra, con los estándares del Sistema Solar, incluso con los valores locales del gas interestelar.

Ilustración de los entornos del nacimiento de planetas en un disco protoplanetario alrededor de una estrella joven. Los dos planetas dentro de la línea de nieve de CO representan a Júpiter y Neptuno en sus ubicaciones actuales. Por otro lado, TYC 8998 b se formó muy fuera de este régimen. A tal distancia de la estrella madre, se espera que la mayor parte del carbono se haya depositado en el hielo de CO, constituyendo el principal depósito de carbono del planeta. En consecuencia, el hielo era rico en carbono-13, lo que resultó en la proporción de isótopos observada en la atmósfera del planeta. Imagen: Yapeng Zhang (Observatorio de Leiden) / Departamento de gráficos de MPIA.

En el trabajo de investigación, los científicos recuerdan un caso similar de enriquecimiento en el Sistema Solar, pero con el hidrógeno (H) y el deuterio (D), otro par de isótopos comúnmente usados en astrofísica. Resulta que Urano y Neptuno tienen valores mayores de D/H en comparación con Júpiter, lo que se atribuye a un incremento en el hielo congelado de la molécula HDO, también llamada agua semipesada, más allá de la línea de nieve del agua, en el Sistema Solar.

Los astrónomos finalizan comentando que más y mejores simulaciones computacionales de las condiciones físicas y de las reacciones químicas del gas y polvo en los discos protoplanetarios, así como futuras mediciones de 12C/13C en otros exoplanetas, aclararán nuestro entendimiento sobre la historia evolutiva de estos objetos.

El artículo científico de esta nota se publica en la revista Nature con el título, The 13CO-rich atmosphere of a young accreting super-Jupiter, por Yapeng Zhang, Ignas A. G. Snellen, Alexander J. Bohn, Paul Mollière, et al. Una copia gratuita del trabajo puede encontrarse AQUÍ.

Este post está basado en la nota: A potential new tracer of exoplanet formation.

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